某机场原状湿陷性黄土地基强夯试验分析

牛得草 NIU De-cao；柴传政 CHAI Chuan-zheng

（①中国人民解放军95538 部队，成都 611436；②空军成都工程设计室，成都 611041）

0 引言

湿陷性黄土的沉降问题一直是困扰工程技术人员的世界性难题。某西北黄土高原机场，场址区域位于黄土沟壑地带，地形地质条件复杂。前期勘察发现该区域黄土为自重湿陷黄土，湿陷等级为Ⅱ~Ⅳ级，地基存在严重湿陷风险（Ⅲ级）。根据勘探结果，勘探深度内自上而下揭露的土层为植物层（约0.5m）、坡面冲积粉质粘土（颜色表现为黄褐色或黄色，可塑~硬塑，揭露层厚约4.4~7.50m）、上更新统风积黄土（揭露层厚约2.5~16.6m，遍布于试验场地梁卯山脊）、残积古土壤（硬塑，具有大孔隙及虫孔，含少量白色钙质条纹及云母片，揭露层层厚4.4~15m）、中更新统风积黄土（硬塑，具有大孔隙及虫孔，最大暴露层厚度为488m）和残积古土壤（最大暴露厚度为5.0m，中强风化）。

黄土遇水湿陷的特征致使本工程地基处理面临着消除其湿陷性、提高地基的压缩模量和地基承载力的重要问题。如此厚的黄土地基处理问题，在国内外极为罕见，既没有成熟的技术作支持，也无成功的经验可借鉴。因此选择和确定合理的地基处理、填筑方案及质量控制体系成为亟待解决的工程技术问题。

强夯法作为常用的原位土体压实方法，其施工设备简单，工艺成熟，施工效率高，得到了广泛的应用。但利用该方法处理湿陷性黄土高填方工程尚无成熟的经验可供借鉴，因而需要在工程施工前进行相关的试验，以确定相关施工技术参数，并提出相应的技术控制标准。

1 试验设计

根据现场地质条件和施工状况，原状土地基强夯试验共分为2000kN·m、4000kN·m 和6000kN·m 三个小区进行，各试验小区内先以单点夯试验确定主夯时每遍的夯击遍数，主夯时夯点采用正方形布置，夯击2 遍，每遍根据单点夯试验结果夯击10~18 次；最后再以1000kN·m 的夯击能进行满夯1 遍，其试验工况设计如表1 和表2 所示。

表1 主夯试验工况设计

表2 满夯试验工况设计

满夯时夯击能量均取1000kN·m，夯点间距采用1/3锤印搭接，夯击3 遍。

强夯施工程序：场地清理—根据场地条件布设方格网—测量场地标高—单点夯试验—主夯第一遍—场地平整—复测标高—主夯第二遍—场地平整—满夯—平整场地—标高复测—施工验收—进入下一道工序。

试验过程：

强夯试验前，分别在小区内挖探井在不同深度上取土样进行室内土工试验，测得其干密度和湿陷系数。

1.1 单点夯试验

夯击之前在夯锤上设置4 个观测点，用于沉降量和隆起观测，在设定夯点周边的原地面上设置相互垂直的观测点，各点距夯锤边缘距离分别为2.0m、2.5m、3.0m、3.5m、4.0m。夯击开始后，对每一击隆起和沉降量分别观测记录，并计算最后两击的平均夯沉量直至达到收夯标准。

1.2 强夯小区试验

根据单点夯试验所得的参数，在选定的原地面试验小区进行试验，经清表平整后，测量夯前标高，第一遍和第二遍点夯后分别平整复测标高（第二遍强夯夯点位于第一遍正方形夯点中心），第三遍满夯后平整测量标高，剔除异常点，计算试验小区平均沉降值。

1.3 载荷试验

强夯完成后，采用面积为0.5m2的圆形钢制承载板（直径800mm）进行相对稳定试验测得各试验小区的p-s曲线，以确定其地基承载力特征值和变形模量。

1.4 浸水载荷试验

为了检测强夯方法处理后地基土体湿陷性消除情况，取一点进行现场浸水载荷试验。载荷试验所用承载板为0.5m2的圆形钢制承载板（直径800mm），釆用稳定法进行试验，0~200kPa，每级加载50kPa，至200kPa 稳定后浸水，观测200kPa 应力下土体浸水湿陷沉降直至沉降稳定。

1.5 地基土物理力学性质试验

强夯完成后，在小区内挖探井取土样测定其干密度和湿陷系数，以检测强夯处理地基效果。

2 结果分析

2.1 单点夯试验

不同夯击能下每一击的沉降量如图1 所示，各强夯小区达到收夯标准时的夯击次数分别为12、10 和12 次。

图1 单点夯试验结果

2.2 强夯小区试验

经第一遍、第二遍点夯和第三遍满夯后分别平整复测标高，剔除异常点，计算得到各试验小区累计沉降值如图2 所示，每遍夯击的沉降量如表3 所示。

图2 各试验小区的累积沉降曲线

表3 各试验小区的单次沉降量

由试验数据可知：不同夯击能下的沉降量均在第一次夯击时达到最大，其累积沉降量占最终沉降量的55%以上；随着夯击能的增加，每次夯击完成后的沉降量也逐渐增加，夯击能由2000kN·m 升至6000kN·m 时，第一遍夯击产生的沉降差仅为0.21m，而第三遍夯击完成后的最终沉降差则达到了0.43m，夯击能为6000kN·m 的累计沉降接近1m。

2.3 载荷试验

强夯后各试验小区荷载试验结果如图3 所示。由图可知：各试验小区内，当加载量达到400kPa 时，载荷试验ps 曲线没有出现明显的拐点或突然下降，即地基没有破坏，可以确定地基承载力特征值均为200kPa。

图3 强夯后各试验小区载荷试验结果

p-s 曲线在200kPa 时的累计沉降量、变形模量如表4所示。由表中数据可知：随着夯击能量的增加，p-s 曲线在200kPa 时的累计沉降量逐渐减小，变形模量逐渐增加，表明夯击效果随着夯击能量的增加而增加。

表4 200kPa 时载荷试验结果

2.4 浸水载荷试验

强夯后各试验小区浸水荷载试验结果如图4 所示，加载至200kPa 后浸水至湿陷稳定时的附加湿陷变形如表5所示。由试验数据可知：随着夯击能量的增加，地基土体在200kPa 压力下浸水后附加湿陷变形量逐渐减小，但都远小于《岩体工程勘察规范》（GB50021—2001）规定的湿陷性土的判定标准，可认为各试验小区的夯击试验已消除地基土体湿陷性。

表5 不同夯击能处理后的附加湿陷变形

2.5 强夯前后地基土物理力学性质对比

强夯前后各试验小区内不同深度处土样的干密度和湿陷系数如表6-表8 所示。

表6 强夯前后地基土的干密度

表7 强夯前后地基土的孔隙比

表8 强夯前后地基土的湿陷系数

由表可知：不同夯击能量的地基处理深度不同，经6000kN·m 强夯处理后，地基在9.0m 深度范围内各项力学指标均大幅度优化，干密度提高15.1%，孔隙比降低26.6%；4000kN·m 夯击能量的地基处理深度为8.0m，干密度提高14.9%，孔隙比降低26.3%，而2000kN·m 夯击能量的地基处理深度仅为5.0m，干密度提高15.1%，孔隙比降低22.9%。在地基处理深度范围内，三个试验小区的湿陷系数均降至0.015 以下，湿陷性全部消除，有效承载力均达到200kPa，地基处理效果显著。

3 结论

采用强夯法进行原状湿陷性黄土地基处理时，应根据现场试验确定夯击能量、夯击遍数和每遍夯击次数等相关参数，以获得最佳施工参数；试验中应根据上部工程结构所需的处置深度合理选定夯击能量，以确保地基拥有足够的处置深度。在取得理想处理效果的同时最大限度地发挥施工机具的施工效率。